การย่อยอาหาร

การค้นพบซากดึกดำบรรพ์ของการทำลายอาหารของแมลงบนพืชเป็นหลักฐานว่าแมลงใช้พืชเป็นแหล่งอาหารมานานกว่า 400 ล้านปี นักวิจัยที่นำโดย Roy Kirsch และ Yannick Pauchet จาก Department of Insect Symbiosis กำลังตรวจสอบว่าแมลงที่กินพืชเป็นอาหารสามารถทำลายส่วนประกอบที่ย่อยยากของอาหารจากพืชได้อย่างไรตั้งแต่แรก ในงานก่อนหน้านี้ พวกเขาได้แสดงให้เห็นแล้วว่าเอนไซม์ที่ย่อยสลายเพคตินมีอยู่อย่างแพร่หลายในแมลงปีกแข็งที่กินพืชเป็นอาหาร พวกเขายังสามารถแสดงให้เห็นว่าเอ็นไซม์ด้วงเหล่านี้มีต้นกำเนิดจากจุลินทรีย์อย่างสม่ำเสมอ คำถามของการศึกษาในปัจจุบันคือความสำคัญของเอนไซม์เหล่านี้ต่อโภชนาการและความสมบูรณ์แข็งแรงของแมลง ในกรณีนี้คือด้วงใบมัสตาร์ดPhaedon cochleariae "เป้าหมายของเราคือการทำความเข้าใจให้ดียิ่งขึ้นว่าแมลงกินพืชจัดการกับผนังเซลล์พืชอย่างไร ซึ่งทำให้อาหารส่วนใหญ่ของพวกมันเป็นอย่างไร เพคตินเป็นเมทริกซ์ที่ฝังเซลลูโลสและเส้นใยเฮมิเซลลูโลสไว้ภายในผนังเซลล์พืช และเป็นส่วนประกอบหลักของเซลล์- เชื่อมต่อชั้นกลางของลาเมลลา ดังนั้น เพคตินจึงต้องถูกย่อยก่อนเพื่อให้เอนไซม์เซลลูเลสและเฮมิเซลลูเลสสามารถเข้าถึงซับสเตรตของพวกมันได้ และในที่สุด เซลล์พืชจะถูกปลดปล่อยออกจากผนังเซลล์ป้องกัน ในบริบทนี้ การกระทำของเพคติเนส เช่น เอนไซม์ที่ย่อยสลายเพคติน กุญแจสำคัญใน การย่อยอาหาร ของด้วงใบไม้อย่างมีประสิทธิภาพ” รอย เคิร์สช์ ผู้เขียนคนแรกกล่าว เพื่อศึกษาบทบาทของเอนไซม์เพคติเนส นักวิจัยได้สร้างเส้นด้วงที่ไม่มีเอนไซม์เหล่านี้ สิ่งนี้กลายเป็นเรื่องยากกว่าที่คาดไว้ในตอนแรก" "แม้แต่การลดลงอย่างมากของกิจกรรมของเพคติเนสผ่านการทดลอง RNAi แบบน็อคดาวน์ในตัวอ่อนของแมลงปีกแข็งก็เพียงพอที่จะยับยั้งการย่อยเพคตินได้อย่างมีประสิทธิภาพ เราทำได้แค่กำจัดยีนที่เข้ารหัสเพคติเนสในแมลงปีกแข็งโดยการใช้การแก้ไขจีโนม CRISPR/Cas9" ยานนิค เพาเชต์ ผู้นำการศึกษากล่าว โดยเน้นย้ำถึงความสำคัญของ "กรรไกรตัดแต่งพันธุกรรม" ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่เอ็มมานูเอล ชาร์เพนเทียร์และเจนนิเฟอร์ใช้ Doudna ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2563 ตัวอ่อน "Pectinase-null mutant" ที่สร้างขึ้นด้วยวิธีนี้กลับมีความสามารถในการอยู่รอดต่ำ คำถามเพิ่มเติมในขณะนี้คือว่าผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายเพคตินจะช่วยเพิ่มอัตราการรอดชีวิตของด้วงเหล่านี้ได้หรือไม่เมื่อนำไปใช้กับตัวอ่อนของแมลงปีกแข็ง อย่างไรก็ตาม จากการทดลองให้อาหารพบว่าไม่เป็นเช่นนั้น "ในแง่หนึ่ง ผลลัพธ์นี้ทำให้เราประหลาดใจเล็กน้อย แต่ในทางกลับกัน มันเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญว่าแมลงปีกแข็งไม่ย่อยเพคตินเพื่อใช้ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของมันสำหรับเมแทบอลิซึมของพวกมันเอง แต่จะทำลายเพกติน และพอลิแซ็กคาไรด์ที่ผนังเซลล์พืชอื่นๆ ที่เป็นไปได้ เพื่อเข้าถึงไซโตพลาสซึมที่อุดมด้วยโปรตีนของเซลล์พืช" Roy Kirsch สรุปผลลัพธ์ การวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา รวมทั้งจากกลุ่มโครงการของ Yannick Pauchet ได้แสดงให้เห็นว่าการได้มาซึ่งเอนไซม์ของจุลินทรีย์ผ่านการถ่ายโอนยีนในแนวราบมีส่วนทำให้แมลงชนิดนี้มีจำนวนมาก แต่ยังรวมถึงตัวแทนของตระกูลแมลงอื่นๆ เช่น มอด ด้วงเปลือก และกิ่งไม้ แมลง การจัดสรรเอนไซม์จากสิ่งมีชีวิตจุลินทรีย์อื่น ๆ เป็นเหมือนทางลัดทางวิวัฒนาการ ไม่ว่าในกรณีใด มันสร้างเงื่อนไขให้แมลงเปิดพืชที่อุดมด้วยเพคตินเป็นแหล่งอาหารตั้งแต่แรก "อาจมีเรื่องน่าขันอยู่บ้างในข้อเท็จจริงที่ว่าเพคติเนสอาจวิวัฒนาการขึ้นเป็นครั้งแรกในพืชเพื่อปรับโครงสร้างเพคตินแบบไดนามิกให้สอดคล้องกับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของพืช จากนั้นเอนไซม์เหล่านี้ได้มาจากจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคในพืช ซึ่งจะบริจาคพวกมันให้กับแมลงที่กินพืชเป็นอาหาร อย่างไรก็ตาม ยังมีแมลงปีกแข็งบางชนิดที่มีแบคทีเรียทางชีวภาพซึ่งผลิตเพคติเนสสำหรับโฮสต์ของพวกมัน การทดลองที่เรียกว่า "knockin" ซึ่งนำยีนเพคติเนสเข้าสู่จีโนมของด้วงโดยใช้ CRISPR-Cas9 กำลังวางแผนที่จะแสดงให้เห็นว่าลักษณะใหม่ของด้วงนี้ส่งผลกระทบอย่างไร ไม่เพียงแต่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและแมลงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างแมลงกับพวกมันด้วย พันธมิตรแบคทีเรีย การศึกษาในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่เอนไซม์อื่นๆ ที่ไม่ย่อยสลายเพคตินแต่เป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์พืชอื่นๆ งานของ Roy Kirsch, Yannick Pauchet และทีมงานของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการที่แมลงจะอยู่รอดได้บนพืชอาศัยนั้น ไม่ใช่แค่การปรับตัวเพื่อป้องกันพืช เช่น สารพิษ สารยับยั้งการให้อาหาร และสารทุติยภูมิอื่นๆ ซึ่งมีความสำคัญ นักวิทยาศาสตร์ค่อนข้างให้ความสำคัญกับเมแทบอลิซึมหลัก ซึ่งถูกละเลยในการวิจัยเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชกับแมลง Yannick Pauchet กล่าวว่า "ความสามารถของแมลงในการย่อยสารหลักเหล่านี้มีความสำคัญเท่าเทียมกันต่อความสำเร็จทางวิวัฒนาการของแมลงที่กินพืชเป็นอาหาร